近日，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系徐一飛教授課題組與復(fù)旦大學(xué)中華古籍保護(hù)研究院劉鵬教授課題組合作，借助冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）與 力顯智能科技iSTORM超高分辨成像技術(shù)等多種高分辨表征手段，成功揭示了棉纖維素老化過程中力學(xué)性能退化的核心機制。相關(guān)研究成果已發(fā)表在國際知名期刊《Small》（IF: 12.1，JCR Q1 ），為提升纖維素材料耐久性提供了全新研究視角。

                          圖1、《Small》（IF: 12.1，JCR Q1）

 

核心發(fā)現(xiàn)：微纖絲“伸直”，材料變脆

 

纖維素作為地球上最豐富的可再生生物聚合物，憑借低成本、可生物降解、環(huán)境友好等優(yōu)勢，在能源存儲、光電子、造紙紡織等多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，纖維素材料（如紙張、棉紡織品）在長期使用或保存中會逐漸變脆，即使只有極少量的分子鏈斷裂（研究指出約0.27%），強度也會“斷崖式”下跌。傳統(tǒng)技術(shù)難以觀測其根本原因。

 

為破解這一關(guān)鍵科學(xué)問題，研究團(tuán)隊以純纖維素棉紙為模型體系，通過 105℃干熱老化模擬（相當(dāng)于室溫經(jīng)過1600年自然老化），系統(tǒng)追蹤纖維素結(jié)構(gòu)與性能的動態(tài)演變。

 

研究團(tuán)隊綜合運用低溫電子斷層掃描（Cryo-ET）等前沿技術(shù)，如同給纖維素微纖絲做了納米級的“三維CT”，清晰捕捉到其結(jié)構(gòu)演變?nèi)^程：

●初始狀態(tài)：纖維素微纖絲呈自然卷曲/螺旋狀，相互纏結(jié)（圖2a,d）。

●老化拐點：老化約100天后，微纖絲開始顯著伸直、排列趨于緊密（圖2b,e）。

●最終狀態(tài)：老化后期，伸直的微纖絲進(jìn)一步橫向合并，形成更寬、更剛性的結(jié)構(gòu)（圖2c,f）。

 

      圖2、纖維素微纖絲在老化過程中的結(jié)構(gòu)演變（Cryo-ET三維重構(gòu)）（左：老化前卷曲狀態(tài)；中：老化100天后開始伸直；右：老化200天后進(jìn)一步合并）

 

 

研究者通過力學(xué)模擬進(jìn)一步證實：卷曲結(jié)構(gòu)能柔性地分散應(yīng)力，而伸直結(jié)構(gòu)則使應(yīng)力集中，缺陷更易擴展，完美解釋了宏觀脆化現(xiàn)象。

 

技術(shù)亮點：iSTORM超高分辨率顯微成像系統(tǒng)洞察納米結(jié)構(gòu)

 

為深入探究微觀機理，研究還采用了隨機光學(xué)重構(gòu)顯微鏡（STORM）技術(shù)。本研究相關(guān)的STORM成像實驗，正是通過寧波力顯智能科技有限公司的 iSTORM 3CM超高分辨成像系統(tǒng)（以下簡稱INVIEW iSTORM）完成的（圖3）。

 

圖3、iSTORM成像拍攝方法

 

●技術(shù)優(yōu)勢：INVIEW iSTORM系統(tǒng)實現(xiàn)了約15 nm的光學(xué)分辨率，能遠(yuǎn)超光學(xué)衍射極限，清晰捕捉到纖維素原纖維上有序區(qū)與無序區(qū)的周期性分布特征。

●關(guān)鍵作用：在該研究中，STORM被用于觀察纖維素纖絲上染料可及區(qū)（代表無序區(qū)）的分布。通過小分子有機染料標(biāo)記，使無序區(qū)域呈現(xiàn)明亮信號，有序區(qū)域呈現(xiàn)暗信號。與TEM成像觀察到CNC的有序區(qū)長度穩(wěn)定結(jié)論相互印證。

結(jié)果證實，老化過程中微纖絲的“伸直”并非由大范圍結(jié)晶變化引起，而是更精細(xì)的納米級重組（圖4）。

圖4、纖維素老化過程中的結(jié)晶度變化（a,b：老化0天與100天纖維素原纖維的STORM成像圖；c,d：老化0天與100天提取的 CNC 的 TEM 成像圖）

 

老化過程中纖維素原纖維的有序區(qū)（≈200 nm）與無序區(qū)（≈50 nm）長度未發(fā)生明顯變化，但纖維素納米晶（CNCs）寬度在 70 天左右增至初始尺寸的兩倍，這與后續(xù)微纖絲伸直轉(zhuǎn)變直接相關(guān)，表明納米尺度再結(jié)晶是驅(qū)動結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素。結(jié)合冷凍電子斷層掃描的 3D 重構(gòu)與有限元模擬驗證，明確了微纖絲伸直后缺陷耐受性降低，應(yīng)力集中加劇，最終導(dǎo)致材料力學(xué)性能喪失。

 

INVIEW iSTORM系統(tǒng)以其卓越的穩(wěn)定性、高分辨率和易用的操作軟件，精準(zhǔn)捕捉到傳統(tǒng)顯微鏡無法識別的細(xì)微結(jié)構(gòu)特征，為解析纖維素微纖絲伸直轉(zhuǎn)變的內(nèi)在驅(qū)動機制提供了直接可視化證據(jù)，充分展現(xiàn)了其在生物大分子結(jié)構(gòu)表征中的獨特價值。在納米尺度探索材料科學(xué)、生命科學(xué)等前沿領(lǐng)域提供了強大工具。

 

應(yīng)用與意義

 

這項研究不僅為文物紙張保護(hù)、高端紡織品耐久性提升提供了直接的科學(xué)依據(jù)，也為設(shè)計更長壽命的纖維素基新材料（如柔性電子基底、特種膜材料）指明了方向——即設(shè)法維持或仿生微纖絲的適度卷曲結(jié)構(gòu)。

 

從微觀分子斷裂，到納米纖絲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，再到宏觀性能失效，這項研究完成了一場跨尺度的精彩機理闡釋。而像INVIEW iSTORM這樣的先進(jìn)成像儀器，正是科學(xué)家得以“看見”并理解這些過程的“眼睛”。

 

 

 

 

 

儀器設(shè)備優(yōu)質(zhì)供應(yīng)商

 

寧波力顯智能科技有限公司（INVIEW）作為國產(chǎn)創(chuàng)新的佼佼者，是國際上少有的把2014年諾貝爾化學(xué)獎原理實現(xiàn)商業(yè)化成果轉(zhuǎn)化的科技型企業(yè)，專業(yè)從事超高分辨率顯微技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)，依托來自復(fù)旦大學(xué)、香港科技大學(xué)的多領(lǐng)域交叉學(xué)科技術(shù)團(tuán)隊，推出了超高分辨率顯微成像系統(tǒng)iSTORM、細(xì)胞智能監(jiān)控助手賽樂微、全自動細(xì)胞計數(shù)儀INCount等一系列產(chǎn)品，以不斷改進(jìn)的核心技術(shù)、高品質(zhì)的自主研發(fā)產(chǎn)品及優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，打造生物醫(yī)藥行業(yè)顯微成像領(lǐng)域領(lǐng)先品牌，幫助人們以前所未有的視角觀察微觀世界，突破極限，見所未見。

超高分辨率顯微成像系統(tǒng)iSTORM憑借20nm超高分辨率、3通道同時成像、3D同步拍攝、實時重構(gòu)、2小時新手掌握等特點，使得20 nm分辨率尺度上從事生物大分子的單分子定位與計數(shù)、亞細(xì)胞及超分子結(jié)構(gòu)解析、生物大分子生物動力學(xué)等研究成為現(xiàn)實，給生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域帶來了重大突破，已為包括香港科技大學(xué)、香港大學(xué)、中山大學(xué)、深圳大學(xué)、北京大學(xué)醫(yī)學(xué)院等在內(nèi)的超過50家科研小組和100位科研人員的科學(xué)研究提供了幫助，并獲得了高度認(rèn)可。